RANCANG BANGUN DAN IMPLEMENTASI PATH BUILDER PADA QUADCOPTER. Design and implementation mapping of certain waypoint on quadcopter

Transkripsi

1 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page 4043 RANCANG BANGUN DAN IMPLEMENTASI PATH BUILDER PADA QUADCOPTER Design and implementation mapping of certain waypoint on quadcopter Azmi Rasyid 1, Ir. Porman Pangaribuan 2, Ramdhan Nugraha Spd.,MT. 3 1,2,3 Prodi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Telkom 1 azmirasyid@students.telkomuniversity.ac.id, 2 porman@telkomuniversity.ac.id, 3 ramdhan@telkomuniversity.ac.id Abstrak Quadcopter (drone) adalah sebuah multicopter yang memiliki empat rotor (baling-baling) dimana sistem kendalinya menggunakan Flight Controller yang telah memiliki algoritma dan sensor sensor didalamnya. Sistem autonomous pada zaman sekarang banyak dikembangkan pada quadcopter, khususnya dalam hal pengamatan objek objek fisik di alam semesta menggunakan quadcopter. Dari keunggulan tersebut terdapat kekurangan, yaitu pada umumnya quadcopter masih dikendalikan oleh seseorang dengan sebuah remote control. Pada tugas akhir ini, dirancang autonomous quadcopter dengan kemampuan bergerak sesuai pathbuild yang ditentukan pada layar Android. Quadcopter dapat dikendalikan melalui aplikasi Android yang dikomunikasikan menggunakan modul Wireless 3DR dengan Frekuensi 433MHz, dimana quadcopter akan bergerak tanpa menggunakan remote control dan bergerak sesuai dengan path yang telah di tujukan melalui Android. Hasil tugas akhir ini berupa sistem kontrol gerak autonomous yang memudahkan pengguna untuk mengontrol quadcopter dalam melakukan mobilisasi melalui sebuah perangkat smartphone berbasis Android. Dengan persentase performansi hasil yang dicapai dalam percobaan yang dilakukan sebesar 83% Kata kunci: Java, autonomous, UAV, quadcopter, drone, waypoint, Android, gesture, GPS Abstract Quadcopter (drone) is a multicopter that has four rotor (blades) which the control system using the Flight Controller who already have the algorithms and sensors inside it. An autonomous system today developed on quadcopter, particularly in terms of observing physical objects in the universe using quadcopter. From the advantage there s shortage, which is generally quadcopter is still controlled by a person with a remote control. In this thesis, the autonomous quadcopter was designed with the ability to move in accordance pathbuild specified on the Android screen. Quadcopter can be controlled via an Android application that communicated using 3DR Wireless modules with 433MHz frequency, which quadcopter will move without using the remote control and move in accordance with the path that has been addressed via Android. The results of this thesis is an autonomous motion control system that allows users to control quadcopter in mobilizing via a smartphone device based on Android. With performance percentage result that accomplished on trial is 83% Keywords: Java, autonomous, UAV, quadcopter, drone, waypoint, Android, gesture, GPS 1. Pendahuluan UAV(Unmanned Aerial Vehicle) secara umum dapat diartikan sebagai sebuah wahana udara. Dengan kemajuan teknologi, UAV saat ini sudah dilengkapi perangkat pendukung yang memungkinkan dapat sepenuhnya dikendalikan secara autonomous. Pada saat ini perkembangan sistem autonomous digunakan pada sistem wahana bertipe rotary-wing. Salah satu jenis rotary-wing yang berkembang saat ini adalah quadrotor atau quadcopter. [1] Quadcopter merupakan pesawat tanpa awak yang memiliki empat buah motor dan propeller di tiap sudut kerangka utama. Bagian kerangka utama digunakan untuk peletakkan sumber daya (baterai), sistem kontrol dan sensor

2 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page 4044 dari quadcopter. Sistem kontrol tersebut digunakan untuk mengatur kecepatan dari setiap motor sesuai dengan gerakan yang diinginkan. [2] Quadcopter memiliki GPS (Global Positioning System) yang berfungsi melacak koordinat dan lokasi, sehingga dapat mempertahankan posisinya saat terbang, maka quadcopter dapat diimplementasikan untuk aerial photography, aerial mapping, dan pantauan udara. Selain keunggulan dan masalah dalam aerial photography dan mapping, pada umumnya quadcopter masih dikendalikan oleh seorang pilot dengan radio control untuk mapping. Berdasarkan masalah tersebut, penulis berkeinginan untuk merancang bangun sebuah quadcopter dengan kemampuan dapat bergerak berdasarkan pathbuild yang telah di tentukan pada program yang telah terintegrasi. Jadi, quadcopter dapat bergerak berdasarkan pathbuild yang ditentukan pada layar Android dan menganalisa hasil mobilisasi alat ketika berada di tiap titik pathbuild dengan dibantu software Mission Planner setelah mengendalikan quadcopter melalui GPS yang dikontrol posisinya melalui Android. 2. Dasar Teori 2.1. Quadcopter Salah satu jenis UAV (Unmanned Aerial Vehicle) yang banyak diteliti saat ini adalah quadcopter. UAV jenis helicopter yang menggunakan empat motor untuk menggerakkan baling-balingnya. Kelebihan quadcopter adalah kemampuannya dalam melakukan take-off dan landing secara vertikal. [1] Pada umumnya, quadcopter dikendalikan melalui radio transmitter dari jarak jauh oleh manusia sehingga sering sekali terjadi kesalahan pengendalian terutama dalam mekanisme landing. 2.2 Gerakan Dasar Quadcopter Quadcopter memiliki empat baling-baling penggerak, masing-masing baling-baling dan motor penggeraknya menghasilkan daya angkat dan memiliki jarak yang sama terhadap pusat massa pesawat. Untuk menghindari terjadinya momen putar pada body, arah putaran baling-baling pada setiap rotornya berbeda. Terdapat 2 rotor yang bergerak searah jarum jam (CW) dan 2 rotor yang bergerak berlawan arah jarum jam (CCW). [2] Berikut gerakan dasar pada quadcopter [3]: Throttle atau Height Gerak ini dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan kecepatan semua propeller dalam jumlah yang sama. Roll Gerak ini dapat dilakukan dengan menambah atau mengurang kecepatan salah satu propeller yang kiri atau yang kanan. Pitch Gerak ini dapat dilakukan dengan menambah atau mengurangi kecepatan salah satu propeller, yang depan atau yang belakang. Yaw Gerak ini dapat dilakukan dengan menambah atau mengurangi propeller depan belakang atau kanan-kiri secara bersamaan. 2.3 Flight Controller Fixhawk memungkinkan APM dan PX4 operator yang ada untuk transisi ke sistem ini dan menurunkan hambatan masuk bagi pengguna baru untuk berpartisipasi dalam dunia otonom. Keunggulan Fixhawk modul disertai dengan opsi perifer baru, termasuk sensor digital kecepatan udara, dukungan untuk indikator multi- warna LED eksternal dan magnetometer eksternal. Semua periferal secara otomatis terdeteksi dan dikonfigurasi 2.5 Radio Telemetry 3DR 433 MHz Radio telemetri adalah cara ideal untuk setup koneksi antara multicopter dengan ground control station yang berupa PC (Personal Computer) atau Laptop, smartphone Android dan juga berupa firmware open source dengan menggunakan protokol MAVlink. Radio telemetri memiliki modul transmiter yang dipasang di multicopter dan modul receiver yang dipasang pada PC / laptop atau smartphone. Telemetri akan memudahkan pengguna dalam interface dengan multicopter secara real time.

3 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page Sistem Kontrol PID (Proportion Integral Derivative) Pada flight controller Fixhawk memiliki sistem kontrol PID (Proportional Integral Derivative), yang menggunakan negative feedback control. Input kontroler PID adalah sinyal error e(t) dan outputnya adalah sinyal kontrol u(t). hubungan Antara input dan output controller PID dapat dituliskan ( ) 1 u(t) = ( ( ) + T + ( ) ) T i 2.6 Mode Pathbuild Mode PathBuild adalah fitur masa depan dengan sistem yang mudah dioperasikan untuk aktifitas outdoor, seperti aerial photography, pantauan udara, olahraga, lifestyle dan lain lain. PathBuild atau sebuah waypoint adalah posisi GPS terdiri dari Latitude dan Longitude ditransmisikan ke robot oleh pengguna [mission planing]. Mode PathBuild mengikuti hasil gambar dari pengguna pada layar Android yang berupa titik titik koordinat, lalu dapat dipantau catatan tempuhnya pada software Mission Planner. Adapun kekurangan dari ini yaitu, GPS (Global Positioning System) pada smartphone yang mengendalikan quadcopter tidak terlalu akurat ketika berada pada titik koordinat yang telah ditentukan oleh pengguna. Namun hal ini tidak berpengaruh terhadap terbang alat dalam mode PathBuild. 2.7 Android Studio[7] Android Studio merupakan sebuah Integrated Development Environment (IDE) untuk platform Android. Android Studio mempunyai banyak fitur-fitur baru dibandingkan dengan Eclipse IDE, Android Studio menggunakan Grade sebagai build environment. Fitur fitur yang meningkatkan ketika membangun Android Apps, sebagai berikut: a. Sistem bangun Gradle-based yang fleksibel b. Fitur emulator yang cepat dan banyak c. Bisa mem-build multiple APK (Android PacKage) d. Template support untuk Google Services dan berbagai macam tipe perangkat e. Layout editor yang lebih bagus f. Built-in support untuk Google Cloud Platform, sehingga mudah untuk integrase dengan Google Cloud Messagin dan App Engine g. Import library langsung dari Maven repository h. Extensive Testing Tools and Frameworks 3. Perancangan Sistem 3.1 Diagram Blok Sistem Gambar 1 Blok Diagram Sistem Perancangan dari pembentukan pathbuild dengan sistem waypoint secara garis besar dapat dilihat pada Gambar 1 Flight Controller yang terdapat pada quadcopter mengontrol pergerakan motor secara garis besar sehingga bisa berjalan dengan autonomous dan mengikuti jalur yang telah dibuat oleh penulis. Komponen- komponen yang terhubung dengan

4 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page 4046 Flight Controller yaitu GPS (Global Positioning System) dan Telemetry 433 MHz Transmitter. Cara kerja dari sistem tersebut adalah GPS pda quadcopter mengirimkan data lokasi berupa titik koordinat ke satelit. Begitu juga satelit memberikan balasan ke GPS pada quadcopter. Data tersebut kemudian diolah di dalam Flight Controller, lalu untuk mengontrol pergerakan motor digunakan sistem pengolahan PID secara auto tuning menggunakan program Mission Planner, lalu 3DR Telemetry 433 MHz Transmitter mengirimkan informasi data yang terkoneksi pada Flight Controller ke Receivernya yang sudah terhubung ke smartphone. Untuk mengendalikan quadcopter dengan smartphone digunakan aplikasi Android. Aplikasi ini dapat menampilkan posisi quadcopter dan si pengguna. Hal ini dapat terjadi karna peran GPS dan satelit pada sistem pembentukan PathBuild dengan dengan sistem waypoint ini sangat besar, karna apabila koneksi terputus menyebabkan quadcopter kehilangan arah yang akan dituju. Jika semua komponen dari sistem telah terkoneksi maka quadcopter siap untuk dikendalikan menggunakan Android. 3.2 Kebutuhan perangkat Kebutuhan perangkat lunak (software) dan perangkat keras (Hardware), yaitu: A) Perangkat Lunak (Software) OS Android Aplikasi Android Studio Mission Planner B) Perangkat Keras (Hardware) Laptop Autodesk Inventor Flight Controller Fixhawk Electric Speed Control (ESC) Motor Brushless Baterai Li-po Low Voltage Buzzer Alarm Global Positionin System (GPS) Transmitter Remote Control 2.4 GHz Receiver FR-Sky 8CH Modul 3DR 433 MHz Smartphone Android Kabel On The Go (OTG) Smartphone 3.3 Perancangan Perangkat Lunak (Software)

5 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page 4047 Gambar 2 Flowchart Sistem dan Software Gambar 2 menjelaskan tentang bagaimana cara kerja dari sistem dan software yang digunakan untuk pathbuild. Aplikasi Android sangat dibutuhkan dalam sistem ini. Pada tahap pertama koneksikan quadcopter dengan aplikasi Android yang sudah terpasang pada Android. Komunikasi quadcopter dengan Android menggunakan komponen Modul 3dr 433 MHz. Setelah quadcopter terkoneksi dengan aplikasi, lalu periksa sambungan GPS (Global Positioning System) pada quadcopter dan Android. Koneksi internet dibutuhkan saat proses ini. Lalu masuk kasus tentang pendeteksian lokasi GPS. Jika tidak terdeteksi, maka ulangi proses pemeriksaan koneksi internet dan GPS. Jika terdeteksi, maka pada aplikasi Android pengguna membuat Path untuk arah tujuan quadcopter, setelah itu set altitude, delay dan mode ketika berada pada setiap titik, kemudian upload ke quadcopter. Quadcopter masuk mode Armed kemudian tekan tombol pathbuild, maka quadcopter akan terbang menuju path yang telah ditentukan oleh penulis. Hasil dari analisis yang diamati dapat berupa posisi titik koordinat Longitude, Latitude, Altitude, keadaan battery, jumlah titik ketika bergerak dari titik koordinat yang satu ke titik koordinat lainnya. 3.4 Perancangan Perangkat Keras (Hardware)

6 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page 4048 Gambar 3 Diagram Blok Hardware Perancangan perangkat keras dari quadcopter bisa dilihat pada Gambar 3 Penjelasan dari gambar diatas adalah Flight Controller pada diagram adalah sebagai pusat kendali utama dan baterai sebagai catuan utama dari quadcopter. Sedangkan distribution board adalah base atau badan dasar yang biasanya terbuat dari PCB untuk menggabungkan semua sambungan listrik dari baterai ke ESC (Electronic Speed Control). Seluruh komponen ESC tersambung ke Flight Controller. Bagian yang tersambung adalah kabel kabel Vcc, Ground, dan Sinyal. Masing masing ESC terkoneksi dengan motor brushless. Receiver RC (Remote Control), GPS (Global Positioning System), dan Modul 3dr 433 MHz tersambung ke Flight Controller. Setelah semua komponen tersambung sesuai dengan gambar diatas, maka quadcopter telah siap digunakan. 3.5 Pengujian dan Pengeluaran Yang Diharapkan Dalam pengujiannya, quadcopter akan diterbangkan dengan kondisi yang telah ditentukan secara berulang kali dan melihat akurasi GPS pada quadcopter. Untuk mengujinya, cara yang dilakukan adalah mengarahkan quadcopter dengan mode PathBuild, lalu diamati respon dari quadcopter. Pengguna melakukan pengujian dengan dua cara, manual dan analisa dengan program Mission Planner. Pengujian secara manual dilakukan dengan mengikuti quadcopter ketika terbang mengikuti perintah yang dilakukan oleh pengguna, lalu meletakan sebuah tanda (batu) disetiap titik koordinat yang ditentukan, lalu mengukur mulai dari titik tujuan, titik akhir dengan landing, keadaan battery ketika mulai penerbangan, dan waktu penerbangan. Sedangkan pengujian secara analisa program dilakukan dengan mengambil data log dari Android yang nantinya dapat di analisa mulai dari Latitude, Longitude, Altitude, Grafik Pitch and Roll. Keluaran yang diharapkan setelah melakukan beberapa pengujian diatas yaitu, quadcopter bisa terbang dengan stabil dan dapat secara akurat mengikuti PathBuild yang telah ditentukan oleh penulis sesuai dengan waypoint yang dimasukkan, serta akurasi proporsional di setiap perubahan titik koordinat yang ditentukan oleh si penulis. 4. Pembahasan 4.1 Pengujian Akurasi GPS Pengujian ini dilakukan dengan menyambungkan Android menggunakan kabel USB untuk pengambilan data log yang tersimpan ketika waktu pengujian. Lalu load data log ke software Mission Planner untuk menampilkan hasil dari quadcopter dari Latitude dan Longitude, setiap kali hasil uji coba akan dibandingkan dengan hasil titik koordinat awal dengan latitude dan longitude , titik koordinat terbang dengan latitude dan longitude dan titik koordinat mendarat dengan latitude dan longitude untuk pengujian pertama. Pada pengujian kedua dengan hasil titik koordinat awal dengan latitude dan longitude 2700, titik koordinat terbang dengan latitude dan longitude, dan titik koordinat mendarat dengan latitude dan longitude Adapun data titik koordinat wahana sebagai berikut: n Tabel 4 Uji pengujian 2 Waypoint Terbang Koordinat terbang n Koordinat percobaan GPS Quadcopter GPS Quadcopter Latitude Longitude Latitude Longitude Error (m) m m m m

7 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page m m m Tabel 5 Uji pengujian 2 Waypoint Mendarat n Koordinat mendarat GPS Quadcopter n Koordinat percobaan GPS Quadcopter Error (m) Latitude Longitude Latitude Longitude m m m m m m m m

8 ISSN : e-proceeding of Engineering : Vol.3, No.3 December 2016 Page m 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan pada tugas akhir, dapat disimpulkan bahwa: 1. Menggunakan Raspberry Pi lebih rumit daripada menggunakan PC. Selain rumit, memori pada Raspberry Pi sangatlah terbatas. 2. Menggunakan Arduino sebelum RF adalah cara yang lebih baik daripada langsung ke Raspberry Pi, karena pemogramannya lebih mudah pada Arduino daripada Java di Raspberry Pi. 3. Data yang dikirim dari Arduino ke Raspberry Pi akan selalu looping, cara menghentikan looping tersebut dengan reset. Dan faktor yang memberikan data error itu bisa dari looping Arduino itu sendiri. 4. Penggunaan memori untuk program berbasis Java sangatlah besar, karena banyaknya fitur -fitur yang disediakan oleh Java. DAFTAR PUSTAKA 1. Utama Wiguna, Rizky, M. Komarudin dan Agus Trisanto, Sistem Kendali Holding Position Pada Quadcopter Berbasis Mikrokontroller ATmega 328P. Bandar Lampung. Universitas Lampung 2. Tomasso, Bresciani, Modelling, Identification and Control of a Quadcopter Helicopter. Department of Automatic Control Lund University 3. Domingue, Jorge M.B., Quadrotor Prototype. Uneversidade Tecnica delisboa. Dissertacio 4. Aziz, Mohcamad Yusuf Abdul, Perancangan dan Implementasi Self-tuning Proportional Integral and Derivatif untuk kestabilan sistem manuver pada Autonomous. Bandung. Telkom University 5. Ma, Li, Research and Development of Mobile Application for Android Platform. University of Information Science & Technology. Nanjing 6. Singhal Rinku, Padhee Subhransu, & Kaur Gagandeep, Design of fractional order PID controller for Speed Control of DC Motor. Punjab: Patiala.